H21 Werkzeugstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen
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H21 Werkzeugstahl wird als Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl klassifiziert, der speziell für Anwendungen entwickelt wurde, die hohe Abriebfestigkeit und Zähigkeit erfordern. Er ist hauptsächlich mit Wolfram, Molybdän und Chrom legiert, die seine Härte und Hitzebeständigkeit erheblich erhöhen. Diese Stahlgüte ist bekannt für ihre ausgezeichnete Leistung bei Hochtemperaturanwendungen, was sie geeignet für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, Stempeln und Formen macht.
Umfassende Übersicht
H21 Werkzeugstahl gehört zur Kategorie der AISI/SAE Hochgeschwindigkeitswerkzeugstähle, die durch ihre Fähigkeit gekennzeichnet ist, Härte und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen aufrechtzuerhalten. Die primären Legierungselemente umfassen Wolfram (W), Molybdän (Mo), Chrom (Cr) und Vanadium (V). Diese Elemente tragen zur allgemeinen Zähigkeit, Abriebfestigkeit und zur Fähigkeit bei, thermischer Ermüdung standzuhalten.
Die bedeutenden Eigenschaften von H21 Werkzeugstahl umfassen:
- Hohe Härte: Erreicht Härtegrade von 60 HRC oder höher nach der Wärmebehandlung.
- Ausgezeichnete Abriebfestigkeit: Geeignet für Hochbelastungsanwendungen, bei denen Abrieb ein Anliegen ist.
- Gute Zähigkeit: Bewahrt die strukturelle Integrität unter Schlaglasten.
Vorteile:
- Außergewöhnliche Leistung in Hochtemperaturumgebungen.
- Behält scharfe Kanten und widersteht Verformung während der Bearbeitung.
- Vielfältige Anwendungen in verschiedenen Branchen.
Beschränkungen:
- Schwerer zu bearbeiten im Vergleich zu niedriglegierten Stählen.
- Erfordert präzise Wärmebehandlung, um optimale Eigenschaften zu erreichen.
- Höhere Kosten im Vergleich zu Standardwerkzeugstählen.
Historisch gesehen war H21 aufgrund seines Gleichgewichts zwischen Härte und Zähigkeit eine bevorzugte Wahl für Werkzeugmacher, weshalb er ein Grundnahrungsmittel in der Herstellung von Präzisionswerkzeugen und Stempeln ist.
Alternative Namen, Standards und Entsprechungen
| Standardorganisation | Bezeichnung/Grad | Land/Region der Herkunft | Bemerkungen/Hinweise |
|---|---|---|---|
| UNS | T20821 | USA | Nächste Entsprechung zu AISI H21 |
| AISI/SAE | H21 | USA | Allgemein verwendete Bezeichnung |
| ASTM | A681 | USA | Spezifikation für Werkzeugstähle |
| EN | 1.2561 | Europa | Ähnliche Eigenschaften, geringfügige Zusammensetzungsunterschiede |
| JIS | SKD6 | Japan | Vergleichbarer Grad mit geringfügigen Abweichungen |
Die Unterschiede zwischen diesen gleichwertigen Graden können die Leistung in spezifischen Anwendungen beeinflussen. Während H21 und SKD6 ähnliche Härte aufweisen können, können ihre Zähigkeit und Abriebfestigkeit aufgrund unterschiedlicher Legierungselemente und Wärmebehandlungsprozesse variieren.
Wichtige Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentbereich (%) |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0.30 - 0.50 |
| Cr (Chrom) | 4.00 - 5.00 |
| Mo (Molybdän) | 1.00 - 1.50 |
| W (Wolfram) | 11.00 - 13.00 |
| V (Vanadium) | 0.50 - 1.00 |
Die Hauptrolle von Wolfram im H21 Werkzeugstahl besteht darin, die Härte und Abriebfestigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, zu erhöhen. Molybdän trägt zur Festigkeit und Zähigkeit bei, während Chrom die Korrosionsbeständigkeit und die Einsatzhärte verbessert. Vanadium hilft, die Kornstruktur zu verfeinern, was die Zähigkeit erhöht.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Prüftemperatur | Typischer Wert/Bereich (metrisch) | Typischer Wert/Bereich (imperial) | Referenzstandard für Prüfmethoden |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Abgeschreckt & Angewärmt | Raumtemperatur | 1800 - 2200 MPa | 261 - 319 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0.2% Abweichung) | Abgeschreckt & Angewärmt | Raumtemperatur | 1500 - 1900 MPa | 217 - 276 ksi | ASTM E8 |
| Elongation | Abgeschreckt & Angewärmt | Raumtemperatur | 5 - 10% | 5 - 10% | ASTM E8 |
| Härte | Abgeschreckt & Angewärmt | Raumtemperatur | 58 - 62 HRC | 58 - 62 HRC | ASTM E18 |
| Schlagfestigkeit | Abgeschreckt & Angewärmt | -20 °C | 20 - 30 J | 15 - 22 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination von hoher Zug- und Streckfestigkeit sowie signifikanter Härte macht H21 Werkzeugstahl geeignet für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen und Abrieb, wie Schneidwerkzeuge und Stempel. Seine Schlagfestigkeit sorgt dafür, dass er plötzliche Stöße ohne Brüche übersteht.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch) | Wert (imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemperatur | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt/-bereich | - | 1425 - 1450 °C | 2600 - 2642 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemperatur | 25 W/m·K | 14.5 BTU·in/h·ft²·°F |
| Spezifische Wärmefähigkeit | Raumtemperatur | 460 J/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| Elektrische Resistivität | Raumtemperatur | 0.0005 Ω·m | 0.0003 Ω·in |
Die Dichte von H21 Werkzeugstahl trägt zu seinem Gesamtgewicht und seiner Stabilität in Anwendungen bei. Sein hoher Schmelzpunkt ermöglicht es ihm, unter extremen thermischen Bedingungen die strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten, während die Wärmeleitfähigkeit entscheidend für die Wärmeableitung während der Bearbeitungsprozesse ist.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Mittel | Konzentration (%) | Temperatur (°C) | Widerstandsbewertung | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Chloride | 5% | 25 °C | Ausreichend | Risiko von Lochkorrosion |
| Schwefelsäure | 10% | 60 °C | Schlecht | Nicht empfohlen |
| Natriumhydroxid | 50% | 25 °C | Gut | Mittlere Beständigkeit |
H21 Werkzeugstahl zeigt eine ausreichende Beständigkeit gegen Chloride, die zu Lochkorrosion führen können, insbesondere in marinen Umgebungen. Seine Leistung unter sauren Bedingungen ist schlecht, was ihn für Anwendungen mit starken Säuren ungeeignet macht. Im Vergleich zu anderen Werkzeugstählen, wie D2 oder M2, ist die Korrosionsbeständigkeit von H21 im Allgemeinen geringer, was in korrosiven Umgebungen Schutzbeschichtungen oder -behandlungen erforderlich macht.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Limit | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale Dauerbetriebstemperatur | 540 °C | 1000 °F | Geeignet für Hochtemperaturanwendungen |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 600 °C | 1112 °F | Nur kurzfristige Exposition |
| Skalierungstemperatur | 700 °C | 1292 °F | Risiko von Oxidation über diesen Punkt hinaus |
H21 Werkzeugstahl bewahrt seine Härte und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, was ihn ideal für Anwendungen wie Heißarbeitswerkzeuge macht. Es ist jedoch Vorsicht geboten, um eine längere Exposition gegenüber Temperaturen über 600 °C zu vermeiden, da dies zu Oxidation und Materialverfall führen kann.
Fertigungs Eigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißverfahren | Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifikation) | Typisches Schutzgas/Flux | Hinweise |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon/CO2-Mischung | Vorwärmen empfohlen |
| TIG | ER70S-2 | Argon | Benötigt Nachwärmebehandlung |
H21 Werkzeugstahl kann geschweißt werden, erfordert jedoch besondere Überlegungen für den Schweißprozess und die Füllmaterialien. Vorwärmen ist oft notwendig, um Rissbildung zu verhindern, und eine Nachwärmebehandlung wird empfohlen, um die mechanischen Eigenschaften wiederherzustellen.
Bearbeitbarkeit
| Bearbeitungsparameter | H21 Werkzeugstahl | AISI 1212 | Hinweise/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Bearbeitungsindex | 50% | 100% | Schwerer zu bearbeiten |
| Typische Schnittgeschwindigkeit | 20 m/min | 30 m/min | Hartmetallwerkzeuge für beste Ergebnisse verwenden |
H21 Werkzeugstahl ist aufgrund seiner Härte schwieriger zu bearbeiten als niedriglegierte Stähle. Die Verwendung von Schnellstahl oder Hartmetallwerkzeugen und die Optimierung der Schnittgeschwindigkeiten können die Bearbeitbarkeit verbessern.
Formbarkeit
H21 Werkzeugstahl ist aufgrund seiner hohen Härte und Festigkeit nicht besonders formbar. Kaltes Formen wird in der Regel nicht empfohlen, während heißes Formen mit Vorsicht durchgeführt werden kann, um Rissbildung zu vermeiden. Der minimale Biegeradius sollte während der Fertigung berücksichtigt werden.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C/°F) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primärer Zweck / Erwartetes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F | 1 - 2 Stunden | Luft | Härte reduzieren, Bearbeitbarkeit verbessern |
| Härten | 1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F | 30 - 60 Minuten | Öl | Hohe Härte erreichen |
| Vergüten | 500 - 600 °C / 932 - 1112 °F | 1 - 2 Stunden | Luft | Brittleness reduzieren, Zähigkeit erhöhen |
Die Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen signifikant die Mikrostruktur von H21 Werkzeugstahl. Das Härten verwandelt den Stahl in eine martensitische Struktur, während das Vergüten Restspannungen und Sprödigkeit reduziert und die Zähigkeit verbessert.
Typische Anwendungen und Endnutzungszwecke
| Industrie/Sektor | Beispiel für spezifische Anwendung | Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl |
|---|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Schneidwerkzeuge | Hohe Härte, Abriebfestigkeit | Präzision und Haltbarkeit |
| Automobil | Formen für die Kunststoffspritzguss | Zähigkeit, Hitzebeständigkeit | Hochvolumenproduktion |
| Herstellung | Stempel für das Stanzen | Abriebfestigkeit, Schlagfestigkeit | Lange Werkzeuglebensdauer |
Weitere Anwendungen sind:
- Metallformwerkzeuge
- Kaltarbeitswerkzeuge
- Hochgeschwindigkeits-Schneiderwerkzeuge
H21 Werkzeugstahl wird für diese Anwendungen aufgrund seiner Fähigkeit ausgewählt, Härte und Zähigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen aufrechtzuerhalten, was Langlebigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke
| Merkmal/Eigenschaft | H21 Werkzeugstahl | AISI D2 | M2 Hochgeschwindigkeitsstahl | Kurze Pro-/Kontra- oder Trade-off-Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Härte | Hoch | Hoch | Sehr Hoch | H21 bietet ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Härte |
| Korrosionsbeständigkeit | Ausreichend | Gut | Ausreichend | D2 hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit |
| Schweißbarkeit | Moderat | Schlecht | Schlecht | H21 kann mit Vorsicht geschweißt werden |
| Bearbeitbarkeit | Moderat | Gut | Schlecht | D2 lässt sich einfacher bearbeiten als H21 |
| Ungefährer relativer Preis | Moderat | Moderat | Hoch | H21 ist kosteneffektiv für Hochleistungswerkzeuge |
| Typische Verfügbarkeit | Allgemein | Allgemein | Weniger häufig | H21 ist weit verbreitet auf dem Markt für Werkzeugstähle |
Bei der Auswahl von H21 Werkzeugstahl sollten Überlegungen zu seinen mechanischen Eigenschaften, Kosten-Nutzen-Verhältnis und Verfügbarkeit angestellt werden. Während es hervorragende Leistung bei Hochtemperaturanwendungen bietet, erfordert seine Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit sorgfältige Handhabung. Die Wahl zwischen H21 und alternativen Graden wie D2 oder M2 hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, einschließlich Abriebfestigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Zusammenfassend ist H21 Werkzeugstahl ein vielseitiges Material, das in anspruchsvollen Anwendungen hervorragende Leistungen erbringt und eine bevorzugte Wahl für Werkzeugmacher und Hersteller ist, die Haltbarkeit und Leistung suchen.